公路选线设计中BIM系统与GIS技术的运用探析

　　摘要：场内外交通是水利水电工程建设的重要组成部分，而公路是场内外交通最主要的形式。近年来，BIM技术在我国工程建设行业得到了深入应用和发展，为工程规划、设计、施工、管理都带来了便利，结合相关应用经验，我们在公路选线设计中也采用了该技术。另外，针对公路工程这种与地形及周边环境关系密切的建设项目，GIS技术可更好的将边界条件呈现在图纸上，有利于内业设计与现场实际贴合的更紧密。因此，BIM系统与GIS技术在公路设计过程中的结合势在必行，本文对其应用方式进行了探索，为今后类似工程的应用提供依据，以促进BIM技术的长足发展。

　　关键词：BIM; 水电工程; GIS; 公路;

　　1 概述

　　1.1 BIM技术

　　BIM是指建筑信息模型（Building Information Molding），其理论基础主要来源于制造行业集CAD,CAM于一体的计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System）理念和基于产品数据管理的PDM与STEP标准的产品信息模型。BIM除了对工程对象进行3D几何信息和拓补关系的描述，还包括完整的工程信息描述，如结构类型、建筑材料等设计信息；成本质量、材料资源等施工信息；安全性能、材料耐久性能等维护信息；对象之间的逻辑关系信息等。

　　在我们设计行业，BIM技术可实现三维建模、实现不同专业之间的信息共享、实现虚拟设计和智能设计、实现设计的碰撞检测、工程量自动统计甚至造价分析等。

　　目前，公路工程设计常用的BIM软件有Bentley公司的Openroads Designer,Autodesk公司的Infroworks及Civil 3D，同豪土木公司的公路工程设计BIM系统等。

　　1.2 GIS技术

　　GIS是地理信息系统（Geographic Information System），是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

　　公路工程设计时主要利用GIS相关软件提供航空影像、卫星数据、数字高程模型等信息源，建立个性化的三维地理信息系统，通过三维交互的方式集成、展示工程区域的空间地理场景数据，并在此基础上整合相关三维设计模型。GIS相关软件主要有ARCGIS,Map Info,Skyline,Global mapper,Super Map,Map GIS等。

　　2 BIM与GIS的结合

　　BIM系统是用来整合和管理建筑物本身全生命周期信息的，GIS技术则是整合及管理建筑物外部环境信息的，二者并无可替代性，而是更倾向于一种互补关系，把微观领域的BIM信息和宏观领域的GIS信息进行交换和相互操作，满足查询与分析相关信息的功能，是未来BIM与GIS技术的发展方向。Google Earth中的“3D建筑图层”功能就是二者结合的重要实例之一。

　　公路是一种线性工程，地理空间跨度大，线路所经区域环境变化多样，不仅包含城镇乡村，还可能穿越湖泊河流、高山峡谷，实地定线往往由于人力、物力及经济因素难以全线覆盖，传统的纸上定线又不够直观。而GIS技术可较为写实的获取城乡整体布局、线路周围地物地类、已有建筑物等信息，为虚拟环境下的选线设计提供了良好的基础数据，再结合BIM技术进行联动交互设计，可达到公路选线设计省时高效、技术可行、经济合理、环境融合的满意效果。

　　3 BIM与GIS结合的实际应用

　　某水电站的进场公路长约3 km，根据地形地质条件情况，全线含隧洞、桥梁及明线公路。

　　在选线设计时，采用了同豪土木公司的“公路工程设计BIM系统”的“总体设计子系统”，同时利用ARCGIS,Bentley公司的Geopak模块、Autodesk公司的Infroworks等软件作为辅助。

　　3.1 GIS基础资料准备

　　对于一条公路的边界三维数据场景，基础数据主要包括数字高程模型信息（DEM）与遥感影像（DOM）以及各类地物矢量、属性、行政区位图等数据。DEM数据表示地形的高低起伏形态，可通过实地测量法、无人机拍摄法、DEM数据软件导出法、勘察测绘主管部门或设计单位购买的方式获取。DOM数字正射影像数据可较为真实的展现地面形态和植被等地物环境，为三维地形的纹理数据，可通过无人机实景拍摄，还可从Google卫星地图、Infroworks等软件获取，精度可达到1 m，精度越高、效果越好、成本越大。

　　在“公路工程设计BIM系统”中，有关地形的数据（分为DEM和DOM）采用.tif格式；而有关地物矢量数据（如河流、既有道路等建筑物）等使用的是Shapfile(.shp）文件。

　　常用的DWG格式地形图可通过TGIS客户端提供的转换工具转换成.shp文件，还可进一步将转换完成文件中的等高线XXX＿POLYLINE.shp及高程点XXX＿POINT.shp转换成.tif文件，以便“公路工程设计BIM系统”识别。

　　另外，DOM影像数据往往采用的是经纬坐标，与常用的地形文件无法对位匹配，需要采用GIS软件（如ARCGIS、Skyline等）的配准工具通过人工识别参考点进行配准，参考点选取越多，配准越精确，一般应多于4个。配准完成后保存新的DOM(.tif）文件以便后续使用。

　　3.2 数据导入

　　“公路工程设计BIM系统”支持GIS数据服务器下载GIS数据或本地文件导入、GIS显示效果设置、生成GIS缓存。若无本地缓存文件，需依次导入本地“高程文件”“影像资料”“地物矢量”“行政区划图”，然后生成缓存文件.xml并保存，以后可直接导入此缓存文件。导入后效果如图1。

　　图1 GIS数据导入后效果   

　　如果有之前用公路二维软件如纬地设计的路线成果，也可导入。当然，根据各工程实际可导入地质、水文、土地（拆迁建筑物、青苗补偿、砍树、拆迁电力、公路用地）、限界、行政区划、汇水区域、河道沟渠等背景资料，便于在公路设计过程中系统实时呈现和调用。

　　3.3 平面设计

　　在总体设计子系统中平面的设计支持导线法、线元法。可根据情况分别采用不同的设计方法完成路线的布设；对于复杂线形设计的，也可将导线法与线元法穿插使用。设计时人机交互性很强，并可直观的发现公路路基边坡和周边环境的关系，减少路线调整的工作量。

　　3.4 纵断面设计

　　总体设计子系统支持动态交互式纵断面设计。可实时修改变坡点的位置、标高、竖曲线半径、切线长、外距等参数。平面和纵断可实现双窗口同步显示。根据地形填挖的高差情况，可按桩号添加桥梁、隧洞、涵洞等构造物，并设计构造物的相关参数。

　　3.5 横断面设计

　　总体设计子系统内置了不同设计速度下所对应的路基标准横断面，设计时可以直接调用内置的标准横断面模板，亦可根据实际项目进行标准横断面的定制。

　　3.6 局部路段特殊处理

　　如高边坡路段涉及不同岩层的开挖，各岩层风化或完整程度不一致，且岩面高低起伏，对开挖边坡稳定坡比均有不同要求，公路工程设计BIM系统无法实现该开挖方式，此时可借助Bentley公司的Geopak模块进行不同岩层的开挖放坡，能比较准确的反映开挖情况，并较精确的自动计算工程量。

　　3.7 三维模型查看和输出

　　设计初步完成后，可查看任何桩号的三维模型信息，并可调出相应桩号的横纵断面图，便于发现与自己设计想法有出入的路段，并进行更改。还能以漫游视角观看全线设计，达到动画效果。

　　场内外交通只是水利水电工程枢纽的一部分，如果需要将设计成果融合到枢纽的相关BIM设计平台，可以从系统导出路线、路基、路面、桥梁、隧道、涵洞、交安模型，模型格式为?.ive，?.osgb，?.osgt，?.3ds，?.r3d，?.fbx，?.obj，以供在BIM平台导入，并进一步赋予相关建筑物的属性信息。

　　3.8 二维图表输出

　　根据出图习惯，可自动输出平纵横布置图、曲线要素表、技术经济指标表、公路及各构造物工程量表、公路用地表图，图纸格式可分为.dwg和.pdf，表格格式可分为.xlsx和.pdf，根据需要系统可自动将设计成果汇编成册。

　　4 结语

　　文章阐述了BIM设计系统在某水电站进场公路中的实际运用情况，系统将BIM与GIS技术进行了充分的结合，设计时可达到因地制宜、经济合理、成果直观、快速高效的效果，经与常规的二维设计手段相比，同等工作量可节约时间30%左右。但也发现了其中不足，如无法适应不同地层边坡开挖等情况，相信在不久的将来，随着BIM与GIS技术更加深入的结合、BIM系统更广泛的应用，相关难题会得到圆满的解决。